Sok korszerű akkumulátoros technológiai eszköz biztosítja a feltöltés lehetőségét a tápegységhez való fizikai csatlakozás nélkül, hanem egy speciális bázisállomás egyszerű támogatásával, amelyet ráadásul nem feltétlenül az eszköz gyártójának kell biztosítania. Ha a különböző gyártók készülékei képesek együttműködni egymással, az a nyílt szabványoknak köszönhető, amelyeket nagyon gyakran az adott technológia fejlesztésében érdekelt különböző márkák konzorciumai dolgoznak ki.
A vezeték nélküli energiaátvitel koncepciója már régóta ismert, pontosabban több mint 100 éve, és a Tesla-tekercs feltalálásáig nyúlik vissza. A vezeték nélküli energiaátvitel kulcsfontosságú tényezője a hatékonyság: a rendszer hatékony meghatározásához a generátor által továbbított energia nagy részének el kell jutnia a fogadó eszközhöz. A közeli térben történő vezeték nélküli átvitelhez alkalmazható kétféle induktív csatolási eljárás a standard induktív csatolás és a rezonáns induktív csatolás.
A standard induktív csatolás általában viszonylag rövid kommunikációs távolságnál kivitelezhető, mivel a mágneses fluxus nagy része nem kapcsolódik a tekercsek közé, és a mágneses mezők gyorsan bomlanak. Az induktív rezonáns csatolás nagyobb hatékonyságot kínál (akár 95%), és viszonylag nagy távolságokon (több méter) is működik, mivel a rezonáns tekercs jelentősen csökkenti az energiaveszteségeket, lehetővé téve az energia átvitelét egyik tekercsről a másikra.
Alkalmazások
A vezeték nélküli energiaátvitel (WPT) használható akár az eszköz, például a LED-lámpák vagy a TV közvetlen áramellátására, akár egy akkumulátor, például egy mobiltelefon feltöltésére, egyszerűen a fedélzetre helyezve. Az emberi testbe beültetett orvosi eszközök és a külső berendezések közötti kommunikáció már régóta ismert. Erre példa a békefenntartó által a külvilág felé továbbított diagnosztikai paraméterek. Ebben az alkalmazásban az eszköz tokjában elhelyezett kis fordulat és a beteg mellkasán elhelyezett nagyobb fordulat közötti induktív csatolás teszi lehetővé a kommunikációt. A beültetett orvosi eszközöknek azonban megfelelő áramellátásra van szükségük, és bár a lítium-ion akkumulátorok használata lehetővé teszi, hogy önállóan működjenek, cseréjük invazív beavatkozásokat igényel, amelyek a beteg egészségét viszonylag veszélyeztetik. A WPT technológia ezt a problémát a vezeték nélküli töltőrendszerek révén orvosolhatja. Az elmúlt években a WPT-technológia alkalmazása a fenntartható e-mobilitás területén egyre nagyobb érdeklődést váltott ki a kutatóintézetekben, különösen Ázsiában. Napjainkban az elektromos járműveket egy csatlakozón keresztül elektromos aljzathoz kell csatlakoztatni az akkumulátorok feltöltéséhez. A vezeték nélküli energiaátvitel lehetővé teszi az ilyen csatlakozók kiiktatását és az automatikus feltöltést (1. ábra).
Technológia
Az antennából sugárzó elektromágneses tér a sugárzó elemtől való távolságtól függő jellemzőket vesz fel. Nevezetesen két területet különböztethetünk meg: a közeli és a távoli mező területét.
Egy mindannyiunk által ismert példa a transzformátor, amely közvetlen elektromos kapcsolat nélkül, de a mágneses induktív csatolás segítségével energiát ad át egy primer tekercsről egy szekunder tekercsre. A transzformátorok ferritmaggal készülnek, és az erős csatolás eléréséhez az elsődleges és a másodlagos oldal pontos összehangolására van szükség. A 2. ábra egy tipikus, induktív mágneses csatolást megvalósító áramkör blokkdiagramját mutatja.
Az első fokozatot egy inverter jelenti, amely az egyenáramot (DC) a megfelelő frekvencián (jellemzően több száz kilohertz és néhány megahertz közötti tartományban) váltakozó árammá (AC) alakítja. Ezt követően egy impedanciaillesztő hálózat a terhelésnek megfelelően beállítja az adótekercs által látott impedanciát, így körülbelül 90%-os hatásfok érhető el. A következő szakasz az adó- és a fogadó tekercsekből áll, amelyeket a mágneses mező létrehozására, illetve befogására használnak. Egy második impedanciaillesztő hálózat biztosítja, hogy a terhelés a megfelelő impedanciát lássa, végül pedig egy egyenirányító a váltakozó áramot egy feszültségszabályozónak köszönhetően stabil egyenárammá alakítja.
A technológia hordozható elektronikus eszközökben való alkalmazását a nagy hatékonyság szükségessége miatt korlátozott mozgásszabadság és az ömlesztett mágneses anyagok súlya határozza meg. Ahhoz, hogy a csatolás hatékony legyen, a primer és a szekunder oldalnak jól egymáshoz igazítottnak kell lennie, és a köztük lévő távolság sem haladhatja meg a több tíz centiméteres nagyságrendet. Ezen okok miatt az induktív csatolást gyakran alkalmazzák az elektromos járművek energiaellátására.
Az induktív csatolás alapelveiből kiindulva a rezonáns mágneses csatolás technikájával növelhetők az átviteli távolságok. A rezonáns mágneses csatolás koncepciója a következő: egy nagy induktív spirál, amelyet egy rádiófrekvenciás forrás gerjeszt, kihasználhatja rezonanciáját, hogy egy bizonyos távolságban elhelyezett másik hasonló szerkezetben rezonáns módust indukáljon. Ez lehetővé teszi a teljesítmény átvitelét sugárzó mező használata nélkül, olyan távolságon, amely akár a spirál méretének négyszerese is lehet (3. ábra).
Az 50-60 Hz-es váltakozó áramot az egyenirányító blokk egyenirányítja és egyenárammá alakítja. Az egyenáramú jel ezután ellátja az RF blokkot, egy erősítőt, amely az egyenfeszültséget rádiófrekvenciás feszültséggé alakítja át, amelyet a huroknak az átvitelbe történő meghajtására használnak. A vevőoldalon a bejövő rezonanciahurok továbbítja az RF jelet az egyenirányítóhoz, amely a terhelést megfelelően szabályozott egyenárammal látja el. Bár az ábrán nem látható, ezek a rendszerek gyakran tartalmaznak impedanciaillesztő hálózatokat a forrás és a terhelés közötti elfogadható átviteli hatékonyság eléréséhez.
A rendszerek RLC áramkörként ábrázolhatók (4. ábra), amelyben, a rezonanciafrekvencián az energia az L induktor, ahol a mágneses térben tárolódik, és a C kondenzátor között oszcillál, ahol az elektromos térben halmozódik fel. A minőséget, amellyel a rezonátor energiát halmoz fel, a Q minőségi tényező határozza meg, amely a w0 rezonanciafrekvencia és a Γ veszteségtényező függvénye:
Ha két hasonló rezonátor a rezonanciafrekvencián közel kerül egymáshoz, közöttük csatolás jön létre, amely lehetővé teszi az energiaátvitelt. Az alábbi képlet megadja azt az optimális hatásfokot, amellyel az energiaátvitel megtörténik:
Mint látható, ez kizárólag az U érdemi tényezőtől függ, amely a csatolás jóságát jelzi.
A mágneses induktív csatoláshoz képest a rezonáns mágneses csatolásnak jelentős előnyei vannak:
- a ferritmagok hiánya miatt könnyebbek és ezért jobban integrálhatók;
- az adó és a vevő közötti távolságok akár 4 métert is elérhetnek anélkül, hogy a két hurok közötti tökéletes igazodás erősen korlátozó megkötés lenne;
A vételi és az átviteli tekercsek áramlási térben való igazítása és a tekercsek közötti távolság határozza meg az energia átvitelének hatékonyságát. A rezonanciafrekvencia, az átviteli tekercsek és a vételi tekercsek méretei közötti arány, a csatolási tényező, a tekercs impedanciája és a tekercs parazita áramai további tényezők, amelyek nagy hatással vannak az energiaátvitel hatékonyságára.
Qi protokoll
A Qi rendszer a vezeték nélküli energiaátvitel szabványa. Két alapmodulból áll, nevezetesen a bázisállomásból és a mobil eszközből. A legmagasabb szintű architektúráját az 5. ábra mutatja be.
A bázisállomás egy vagy több teljesítményadóból áll: mindegyikük egyszerre egyetlen mobil eszköz számára képes vezeték nélküli teljesítményátviteli funkciót biztosítani, és elvileg egy teljesítményátalakító egységből, valamint egy vezérlőegységből és kommunikációból áll. A Qi szabvány már jelen van a fogyasztói piacon, a mobileszközök széles skáláján. De még a fejlett világ is profitálhat ebből a technológiából az olyan projekteknek köszönhetően, mint a közelmúltban megjelent TIDA-00881, a Texas Instruments lapja, amelyet arra terveztek, hogy a TI más alacsony fogyasztású lapjait (köztük a Launchpad sorozat lapjait) kiegészítse a vezeték nélküli Qi-kompatibilis áramellátási funkcionalitással.
AzInfineon számos vezeték nélküli töltési szabványhoz kínál teljesítmény-MOSFET-eket, és aktív tagja a Wireless Power Consortiumnak (WPC) és az AirFuel Alliance-nek, a vezeték nélküli töltési technológia két vezető vállalati konzorciumának. Az AirFuel Alliance meghatározta a rezonáns WPT szabványt, amely 6,78 MHz-es frekvencián működik, és lehetővé teszi több eszköz egyidejű töltését. A BSZ0909ND különösen alkalmas olyan vezeték nélküli töltőarchitektúrákhoz vagy vezérlőelemekhez (például drónokban vagy többmotoros repülőgépekben), ahol a tervezőknek egyszerűsíteniük kell az elrendezést és jelentősen helyet kell megtakarítaniuk anélkül, hogy a hatékonyság rovására mennének.
A teljes cikkért látogasson el az EDN Asia oldalára
A teljesítményelektronika egyre fontosabb szerepet játszik különböző piacokon, például az autóiparban, Ipari és a fogyasztói szektorban. Emellett számos új és továbbfejlesztett funkció alaptechnológiája, amelyek javítják az autóipar és az intelligens hálózatok teljesítményét, biztonságát és funkcionalitását. A kihívást jelentő elektromos és termikus követelmények erősen befolyásolják a teljesítményelektronikai rendszerek tervezését. A Power Electronics News olyan fő témákra összpontosítana, mint a teljesítmény-átalakító, a mozgásvezérlés, a félvezetők és a hőkezelés. A Power Electronics News eBook interaktív módon tájékoztat a legújabb technológiákról, trendekről és termékinnovációkról az egyes piacokon.